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GC 알고리즘의 종류에 대해서 설명해주세요.

GC 동작 원리

  1. Stop The World
  2. Mark and Sweep

Stop the World

  • 가비지 컬렉션을 실행하기 위해 JVM이 어플리케이션의 실행을 멈추는 작업
  • 가비지 컬렉션 실행 시 가비지 컬렉션을 실행하기 위한 스레드를 제외한 모든 스레드 중지, 가비지 컬렉션 종료 후 기존 스레드 재개

Mark and Sweep

  • Mark: 사용되는 메모리 식별(mark)
  • Sweep: 식별되지 않은(un_marked) 메모리 제거

GC 알고리즘 종류

  • GC의 Stop the World에 의해 어플리케이션이 중지되는 문제를 최소화 하기 위해 다양한 GC 알고리즘이 존재

Serial GC

  • GC의 Young 영역은 Mark and Sweep의 방식으로 수행, Old 영역에서는 Mark Sweep에 더해 Compact라는 작업이 추가된 Mark Sweep Compact 알고리즘 적용
  • CPU 코어가 1개일 때 사용하기 위해 개발된 알고리즘으로 CPU 코어가 여러 개인 운영 서버에서의 사용을 피해야 한다.

Young 영역: 새로 생성된 객체가 할당되는 Eden 영역 + 최소 1번의 GC 작업에서 생존한 객체가 복사되어 존재하는 영역
Old 영역: Young 영역에서 반복하여 살아남은 객체가 존재하는 영역(Survivor 영역에서 이동됨)
Compact: Heap 영역을 정리하기 위한 단계로 유요한 객체들이 연속되게 쌓이도록 힙의 가장 앞 부분부터 채워서 객체가 존재하는 부분과 객체가 존재하지 않는 부분으로 나누는 작업

Parallel GC (Throughput GC)

  • Serial GC와 처리 과정은 동일하지만 여러개의 쓰레드를 통해 GC를 수행하여 GC 오버헤드를 감소
  • Java8까지 기본 가비지 컬렉터로 사용

Parallel Old Gc

  • Parallel GC Old 영역에서의 GC 알고리즘인 Mark Sweep Comapct가 아닌 GC를 수행한 영역에 대해 살아있는 객체를 식별하는 Summary 단계가 추가

CMS(Concurrent Mark Sweep) GC

  • CMS GC는 Parallel GC와 동일하게 여러 개의 쓰레드를 사용하며, Mark Sweep을 Concurrent하게 수행한다.
  • 어플리케이션이 실행 중일 때에는 프로세서 자원을 공유하여 이용하기 때문에 다른 GC 알고리즘 보다 메모리와 CPU를 많이 사용함
  • Java14부터 사용 중단

G1(Garbage First) GC

  • 똑같이 객체를 Eden 영역에 할당하고 Survivor로 카피하는 과정은 같지만 물리적으로 메모리 공간을 나누는 것이 아닌 Region이라는 개념을 도입해 Heap 영역을 균등하게 나눠 각 지역을 역할에 맞게 논리적으로 구분하여 객체를 할당

  • Eden, Survivor, Old, Humonogous, Availalbe/Unused 역할 존재

  • Heap을 동일한 크기의 Region으로 나누고 가비지가 많은 Region을 우선적으로 GC 수행

  • Java9부터 기본 가비지 컬렉터로 사용

  • G1 GC와 다른 알고리즘들과의 차이

    • 다른 알고리즘들은 Old 영역 전체적으로만 GC를 수행해 메모리를 회수하지만, G1은 이 작업을 훨씬 더 짧게 여러 컬렉션(영역)에 점진적으로 수행하여 적은 처리량 비용으로 일시 중지 시간이 크게 단축시킬 수 있다.
    • CMS GC와 유사하게 G1은 메모리 회수 작업을 동시에 수행한다. 하지만 CMS는 Compaction 작업을 수행하지 않아 결국 긴 Full GC로 실행됨.

Humonogous: Region 크기의 절반을 초과하는 객체를 저장하는 Region
Available/Unused: 사용되지 않은 Region

추가 정리

ZGC

  • Stop The World의 시간이 10ms 이상 초과하지 않으며 비용이 많이 드는 작업들을 동시에 수행하는 GC
  • 기존의 Region을 동적으로 생성/삭제되며 2MB의 배수 형태로 관리되는 ZPage로 정의하여 사용
스크린샷 2023-07-31 21 07 33 - ZGC는 GC의 compact과정에서 생기는 객체 불일치 현상을 해결하기 위해 Reference Coloring(Colored Pointer) 와 Load Barrier(GC Barrier)를 사용한다.

Reference Coloring(Colored Pointer): ConcurrentGC를 사용해 객체의 GC 메타데이터를 객체 주소에 저장하는 작업
Load Barrier(GC Barrier): JIT를 사용해서 GC를 돕기 위해 작은 코드를 주입

G1GC 리전에 쌓인 가비지 판단 기준

  • 나눠진 리전의 점유 임계값을 기준으로 점유 임계값을 초과하면 GC 대상으로 판단
  • 점유 임계값은 GC 수집을 위해 고려되기 전 라이브 데이터로 채워질 수 있는 리전 크기의 백분율료 기본값은 최신 자바 버전 기준으로 리전 크기의 45퍼센트로 설정된다

G1GC에서 리전보다 큰 데이터를 처리하는 방법

  • 영역보다 큰 객체를 G1GC에서는 거대한 객체로 간주해 Humongous Handling이라는 매거니즘을 이용해 관리한다.

Humongous Handling:

  1. 거대한 객체를 수용하기 위한 Humonogous Region(HRegion)으로 지정
  2. 거대한 객체의 메타데이터 기록
  3. HR 승격
  4. 마킹
  5. 거대한 객체 수거를 위한 Humongous Objects Collection 주기를 수행
  6. 메모리 압축

Reference